DE1623381C

DE1623381C - Magnetic gradient meter

Info

Publication number: DE1623381C
Authority: DE
Inventors: Antoine Fontaine Roback Francis Grenoble Raffini Paul La Tronche Isere Salvi (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA

Description

I 623 381I 623 381

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Gradientenmesser zur Messung der Differenz der magnetischen Feldstärken in einer ersten und in einer zweiten Zone, insbesondere zur Messung der Änderungen der Stärke des magnetischen Erdfeldes zum Zwecke der Bodenerforschung. The invention relates to a magnetic gradient meter for measuring the difference in magnetic Field strengths in a first and in a second zone, in particular for measuring the changes in strength of the earth's magnetic field for the purpose of soil exploration.

Meßgeräte zur Messung der Feldstärke des magnetischen Erdfeldes sind an sich bekannt; sie werden im allgemeinen Magnetometer genannt. Zur Messung des Gradienten eines magnetischen Feldes hat man bisher zwei voneinander unabhängig arbeitende Magnetometer verwendet, wobei die Magnetometerköpfe an zwei voneinander entfernten Stellen angeordnet werden und aus den jeweils gemessenen Werten die Differenz gebildet wird, die dem magnetischen Feldgradienten entspricht. Diese Art der Messung des magnetischen Feldgradienten ist nicht besonders vorteilhaft. Abgesehen davon, daß bei den beiden Magnetometerköpfen eine genaue Einhaltung eines vorgegebenen Abstandes beachtet werden muß, hat dieses Verfahren noch den Nachteil, daß Störeinflüsse, die sich nur auf eines der beiden Magnetometer auswirken, das Meßergebnis verfälschen.Measuring devices for measuring the field strength of the earth's magnetic field are known per se; they will be in commonly called magnetometer. To measure the gradient of a magnetic field, one has hitherto used two independently working magnetometers, with the magnetometer heads on two points distant from each other are arranged and from the respective measured values the Difference is formed, which corresponds to the magnetic field gradient. This way of measuring the magnetic field gradient is not particularly beneficial. Apart from the fact that the Both magnetometer heads, a specified distance must be observed must, this method still has the disadvantage that interference that affects only one of the affect both magnetometers, falsify the measurement result.

Die Erfindung befaßt sich mit der Ausbildung eines einheitlichen Meßgerätes zur Messung der Differenz der Feldstärken eines magnetischen Feldes an zwei vorgegebenen Stellen, d. h. eines magnetischen Gradientenmessers. The invention is concerned with the formation of a Uniform measuring device for measuring the difference between the field strengths of a magnetic field at two predetermined positions, d. H. a magnetic gradient meter.

Ein magnetischer Gradientenmesser nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen in der ersten Zone befindlichen ersten Magnetometerkopf, der eine erste praktisch sinusförmige elektromotorische Kraft U₂ mit einer zur Stärke des Magnetfeldes in dieser ersten Zone proportionalen Frequenz liefert, einen zweiten, in der zweiten Zone befindlichen Magnetometerkopf, der wie ein Bandpaßfilter mit sehr schmaler Bandbreite auf ein sinusförmiges Eingangssignal U₀ veränderlicher Frequenz anspricht und eine zweite elektromotorische Kraft U₃ liefert, deren Amplitude sich als Funktion der Frequenz des Eingangssignals entsprechend einer Resonanzkurve (Lorentz-Kurve) ändert, die auf seine, zur Stärke des Magnetfeldes in der zweiten Zone proportionale Resonanzfrequenz zentriert ist, Einrichtungen zur Rückführung eines Anteiles der von dem ersten Kopf gelieferten elektromotorischen Kraft U₂ an den Eingang des zweiten Kopfes, der das Eingangssignal U₀ für den zweiten Kopf darstellt, und Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz ρ zwischen den elektromotorischen Kräften U₂ und C₃.A magnetic gradient meter according to the invention is characterized by a first magnetometer head located in the first zone, which supplies a first practically sinusoidal electromotive force U ₂ with a frequency proportional to the strength of the magnetic field in this first zone, a second magnetometer head located in the second zone , which responds like a band-pass filter with a very narrow bandwidth to a sinusoidal input signal U _{0 of} variable frequency and supplies a second electromotive force U ₃ , the amplitude of which changes as a function of the frequency of the input signal according to a resonance curve (Lorentz curve) which is based on its, resonance frequency proportional to the strength of the magnetic field in the second zone is centered, means for feeding back a portion of the electromotive force U ₂ supplied by the first head to the input of the second head, which represents the input signal U ₀ for the second head, and means gen for determining the phase difference ρ between the electromotive forces U ₂ and C ₃ .

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der erste Magnetometerkopf als Spinoszillator mit subatomaren Teilchen (Atomkerne, Elektronen) ausgebildet ist und eine elektromotorische Kraft U₂ mit der Larmorfrequenz der Spins in dem Magnetfeld in dieser ersten Zone, in der sich die Spins befinden, liefert.Another embodiment of the invention is that the first magnetometer head is designed as a spin oscillator with subatomic particles (atomic nuclei, electrons) and an electromotive force U ₂ with the Larmor frequency of the spins in the magnetic field in this first zone in which the spins are located, supplies.

In weiterer Ausbildung der Erfindung enthält der zweite Magnetometerkopf eine Eingangsspule, in Reihe dazu einen in der Impedanz erheblich höher liegenden Widerstand, eine Ausgangsspule mit einem parallelgeschalteten Kondensator, der mit der Ausgangsspule einen Resonanzkreis bildet, der mit. einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz schwingt, und ein Spinsystem mit subatomaren Teilchen, wobei das Spinsyslem die Ausgangsspule mit der Eingangsspule bei der Larmorfrequenz (die gleich der Resonanzfrequenz ist) des Spinsystems in dem magnetischen Feld in der zweiten Zone koppelt.In a further embodiment of the invention, the second magnetometer head contains an input coil, in To do this, series a resistor with a considerably higher impedance, an output coil with a capacitor connected in parallel, which forms a resonance circuit with the output coil, which is connected to. one Frequency near the resonance frequency oscillates, and a spin system with subatomic particles, where the Spinsyslem the output coil with the input coil at the Larmor frequency (which is equal to the resonance frequency ist) of the spin system in the magnetic field in the second zone.

Zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen der ersten und zweiten elektromotorischen Kraft enthält der Gradientenmesser in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Phasendifferenz-Meßeinrichtung, bestehend aus:To determine the phase shift between the first and second electromotive force In a further embodiment of the invention, the gradient meter contains a phase difference measuring device, consisting of:

einem Paar von Einrichtungen, die den beiden normalerweise um 180° phasenverschobenen elek-a pair of devices that provide the two normally 180 ° out of phase electrical

tromotorischen Kräften Rechteckform erteilen; einem Paar von Einrichtungen zur Differenzierung der beiden so auf Rechteckform gebrachten elektromotorischen Kräfte;Give electromotive forces a rectangular shape; a pair of devices for differentiation the two electromotive forces thus brought into a rectangular shape;

einem Paar von Einrichtungen, die in den beiden so durch Differenzieren erhaltenen Impulsfolgen nur die Impulse beibehalten, die eine bestimmte Polarität haben, die für die beiden Folgen die gleiche ist;a pair of devices included in the two pulse trains thus obtained by differentiating only keep the impulses that have a certain polarity that is relevant for the two consequences is the same;

einer bistabilen Kippschaltung, die die beibehaltenen Impulse einer bestimmten Polarität empfängt und aus einem stabilen Zustand beim Empfang eines jeden Impulses in den anderen kippt; einem Integrator zur Integrierung der aus der Kippschaltung austretenden Spannungsstufen, und Einrichtungen zur Messung der Ausgangsspannung des Integrators, die zu der zu bestimmenden Phasendifferenz proportional ist.a flip-flop that receives the retained pulses of a certain polarity and flips from one steady state to the other upon receipt of each pulse; an integrator for integrating the voltage levels emerging from the trigger circuit, and Devices for measuring the output voltage of the integrator, which are to be determined Phase difference is proportional.

Bei dem nach der Erfindung ausgebildeten Gradientenmesser wird die Eingangsspannung für den zweiten Magnetometerkopf vom ersten Magnetometerkopf abgeleitet und die Messung des magnetischen Feldgradienten auf eine Messung der Phasendifferenz zwischen den Ausgangsspulen der beiden Magnetometerköpfe zurückgeführt, die der Differenz der magnetischen Feldstärken in der ersten und zweiten Zone proportional ist. Mit diesem Gradientenmesser können die Gradienten von .Magnetfeldern, insbesondere des magnetischen Erdfeldes, mit einer sehr hohen Genauigkeit in der Größenordnung eines Zehntel Mikrooersted bestimmt werden. Ferner eignet sich der Gradientenmesser auch/ zur Messung des Absolutwertes eines magnetischen FeI-des. Das Meßgerät hat verhältnismäßig kleine Abmessungen und kann als tragbares Gerät ausgeführt werden; der Stromverbrauch ist relativ gering.In the gradient meter designed according to the invention, the input voltage for the second magnetometer head derived from the first magnetometer head and the measurement of the magnetic Field gradients based on a measurement of the phase difference between the output coils of the the two magnetometer heads, which is the difference in the magnetic field strengths in the first and second zone is proportional. With this gradient meter, the gradients of .Magnetic fields, especially of the earth's magnetic field, with a very high accuracy of the order of magnitude of a tenth of a micro-oersted can be determined. Furthermore, the gradient meter is also suitable / for Measurement of the absolute value of a magnetic field. The measuring device has relatively small dimensions and can be implemented as a portable device; the power consumption is relatively low.

Die Magnetometerköpfe des Gradientenmessers arbeiten Vorzugsweise nach dem Prinzip des Overhauser-Abgragam-Effektes. Durch diesen Effekt läßt. sich die Stärke des Resonanzsignals dadurch vergrößern, daß in den beiden Magnetometerköpfen gleichzeitig Kernspins und Elektronenspins ausgenutzt werden, wobei die Sättigung der elektronischen Resonanzlinie (durch eine elektromagnetische Strahlung mit der elektronischen Resonanzfrequenz) die Stärke des Resonanzsignals der Kernspins steigert. Ein auf diesem Prinzip beruhendes Magnetometer ist in der deutschen Patentschrift 1 191 480 beschrieben.The magnetometer heads of the gradient meter preferably work on the principle of the Overhauser-Abgragam effect. Lets through this effect. the strength of the resonance signal increases as a result, that nuclear spins and electron spins are used simultaneously in the two magnetometer heads be, the saturation of the electronic resonance line (by electromagnetic radiation with the electronic resonance frequency) increases the strength of the resonance signal of the nuclear spins. A magnetometer based on this principle is described in German Patent 1,191,480.

Ein Ausführungsbeispiel, der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below explained.

Fig. 1 und 3 zeigen die Schaltungen der beiden Magnetometerköpfe eines erfindungsgemäßen Gradientenmessers; Figs. 1 and 3 show the circuits of the two Magnetometer heads of a gradient meter according to the invention;

Fig. 2 zeigt die Änderung der Amplitude der elektromotorischen Ausgangskraft des Kopfs der. Fig. 1 in Funktion der Frequenz des Eingangssignals;Fig. 2 shows the change in the amplitude of the output electromotive force of the head of the. 1 as a function of the frequency of the input signal;

F i g. 4 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Gradientenmesser, dessen beide Köpfe zweckmäßig gemäß F i g. 1 und 3 ausgeführt sind;F i g. 4 shows schematically a gradient meter according to the invention, the two heads of which are expedient according to FIG. 1 and 3 are executed;

F i g. 5 zeigt die Änderung der Phasenlage (und der Amplitude) zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines der Köpfe des Gradientenmessers der Fig. 4, nämlich des zweckmäßig gemäß F i g. 1 ausgebildeten; F i g. 5 shows the change in phase position (and amplitude) between the input and the output one of the heads of the gradient meter of FIG. 4, namely the one expediently according to FIG. 1 trained;

F i g. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den Ausgangsgrößen der beiden Köpfe des Gradientenmessers der Fig. 4.F i g. 6 schematically shows an embodiment of the devices for determining the phase difference between the output variables of the two heads of the gradient meter of FIG. 4.

F i g. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines der Köpfe des Gradientenmessers, bei welcher der Overhauser-Abragam-Effekt ausgenutzt wird.F i g. 1 shows a preferred embodiment of one of the heads of the gradient meter, in which the Overhauser-Abragam effect is exploited.

Eine Eingangsspule 1 liegt in Reihe mit einem Widerstand 2, dessen rein Ohmsche (d. h. reelle) Impedanz R erheblich größer als die Impedanz cöL der Spule 1 (mit der Induktivität L) bei der Betriebskreisfrequenz ω ist (R > coL), so daß die Spannung U₀ des an die Klemmen. A, B angelegten sinusförmigen Eingangssignals praktisch in Phase mit dem durch die Spule fließenden ebenfalls sinusförmigen Strom I₀ ist.An input coil 1 is in series with a resistor 2, the purely ohmic (ie real) impedance R of which is considerably greater than the impedance coL of coil 1 (with inductance L) at the operating angular frequency ω (R > coL), so that the voltage U ₀ des to the terminals. A, B applied sinusoidal input signal is practically in phase with the likewise sinusoidal current I ₀ flowing through the coil.

Eine Ausgangsspule 3 ist parallel zu einem gegebenenfalls abstimmbaren Kondensator 4 geschaltet, um einen Resonanzkreis 5 zu bilden, wobei die beiden Spulen 1 und 3 normalerweise elektrisch entkoppelt sind und ein etwaiger Widerstand 6 den Gütekoeffizienten des Resonanzkreises herabsetzt, wobei die Spule 3 normalerweise von der Spule 1 entkoppelt ist (so daß der Koeffizient ihrer gegenseitigen Induktion praktisch Null ist), indem z. B. diese Spulen senkrecht zueinander angeordnet sind.An output coil 3 is connected in parallel to an optionally tunable capacitor 4 in order to to form a resonance circuit 5, the two coils 1 and 3 normally being electrically decoupled and any resistance 6 is the quality coefficient of the resonance circuit, the coil 3 is normally decoupled from the coil 1 (so that the coefficient of their mutual induction is practically zero) by e.g. B. these coils perpendicular are arranged to each other.

Ein Spinsystem mit subatomaren Teilchen (welche einer in einem Behälter 7 enthaltenen Flüssigkeit 8 angehören) koppelt die Ausgangsspule 3 mit der Eingangsspule 1 mit der Resonanzfrequenz des Spinsystems in dem Magnetfeld, in welchem es sich befindet, wobei diese Frequenz J₀, Larmorfrequenz genannt, zu der Stärke H₀ dieses Magnetfeldes proprotional ist. und durch folgende Gleichung gegeben ist:A spin system with subatomic particles (which belong to a liquid 8 contained in a container 7) couples the output coil 3 to the input coil 1 with the resonance frequency of the spin system in the magnetic field in which it is located, this frequency J ₀ , called Larmor frequency the strength H _{0 of} this magnetic field is proportional. and is given by the following equation:

/0 =/ 0 =

feld Null und dem magnetischen Erdfeld hat, durch Anlegung eines wechselnden (oder rotierenden) Magnetfeldes mit dieser Frequenz J_e gesättigt wird, welches von einem mit dieser Frequenz schwingenden Oszillator 9 und einer von diesem gespeisten, in die Flüssigkeit 8 eintauchenden Spule 10 erzeugt wird. Eine nicht dargestellte, den Behälter 7 umgebende Abschirmung ist für die Kernresonanzfrequenz J₀ durchlässig, aber für die Frequenz der elektronischen Linie f_e > J₀ undurchlässig (für eine wäßrige Nitrosodisulfonatlösung beträgt z. B. in dem magnetischen Erdfeld f_e = 55 bis 56 MHz und J₀ = 2100 Hz),field zero and the magnetic earth field, is saturated by applying an alternating (or rotating) magnetic field with this frequency J _e , which is generated by an oscillator 9 oscillating at this frequency and a coil 10 which is fed by this and immersed in the liquid 8. A shield, not shown, surrounding the container 7 is permeable to the nuclear magnetic resonance frequency J ₀ , but impermeable to the frequency of the electronic line f _e > J ₀ (for an aqueous nitrosodisulfonate solution, for example, f _e = 55 to 56 in the earth's magnetic field MHz and J ₀ = 2100 Hz),

Wenn man an die Eingangsklemmen A, B des Vierpols der F i g. 1 eine Wechselspannung U₀ mit der FrequenzIf you connect the input terminals A, B of the quadrupole of FIG. 1 an alternating voltage U ₀ with the frequency

r _ r _

2π2π

worin γ das gyromagnetische Verhältnis des Spinsystems ist.where γ is the gyromagnetic ratio of the spin system.

Die Ausbildung wird so getroffen, daß die Resonanzfrequenz J₁ des Resonanzkreises 5 der Frequenz J₀ sehr naheliegt, wobei der verringerte Gütefaktor dieses Kreises übrigens die Wirkung hat, die Frequenzmitnähme (pulling) zu verringern, d. h. zu verhindern, daß der Resonanzkreis seine Resonanzfrequenz der Ausgangsgröße des Filters aufprägt, welche die Fre- quenzJ₀ hat, wie dies nachstehend unter Bezugnahme auf F i g. 2 erläutert ist.The design is made in such a way that the resonance frequency J _{1 of} the resonance circuit 5 is very close to the frequency J ₀ , the reduced quality factor of this circuit incidentally having the effect of reducing the frequency pulling, i.e. preventing the resonance circuit from reaching its resonance frequency The output variable of the filter is impressed, which has the frequency J ₀ , as described below with reference to FIG. 2 is explained.

Die Stärke des Resonanzsignals der Spins wird vorzugsweise durch den Overhauser-Abragam-Effekt gesteigert. Die Flüssigkeit 8 wird daher durch eine Lösung gebildet, welche in einem Lösungsmittel (insbesondere Wasser), welches Kernspins (insbesondere Protonen) enthält, ein freies paramagnetisches Radikal aufweist, z. B. Ditertiobutalnitroxyd oder Nitrosodisulfonat, von welchen eine elektronische Resonanzlinie mit einer Frequenz J_e, welche in einem Magnetfeld von der Größe Null von Null verschieden ist und praktisch die gleiche Größe in einem Magnetso anlegt, so daß ein Wechselstrom mit der Frequenz / und der Stärke I₀ in der Spule 1 fließt, welcher mit U₀ J_n Phase ist, da R > coL, und wenn man die Amplitude α der an den Ausgangsklemmen C, D des Vierpols verfügbaren Spannung U₁ mißt, indem man / _Von einem Wert Ju welcher erheblich kleiner als J₀ j_st, allmählich steigert, erhält man die Resonanzkurve der Fig. 2, welche eine Lorentz-Kurve ist.The strength of the resonance signal of the spins is preferably increased by the Overhauser-Abragam effect. The liquid 8 is therefore formed by a solution which has a free paramagnetic radical in a solvent (in particular water) which contains nuclear spins (in particular protons), e.g. B. Ditertiobutalnitroxyd or Nitrosodisulfonat, of which an electronic resonance line with a frequency J _e , which is different from zero in a magnetic field of magnitude zero and practically the same magnitude in a magnet so that an alternating current with the frequency / and the strength I _{0 flows} in coil 1, which is phase with U ₀ J _n , since R > coL, and if the amplitude α of the voltage U ₁ available at the output terminals C, D of the quadrupole is measured by adding / _V on a value Ju, which gradually increases considerably less than J ₀ j _s t, one obtains the resonance curve of FIG. 2, which is a Lorentz curve.

Fern von J₀ ist nämlich die induktive Kopplung zwischen den Spulen. 1 und 3 Null, und α ist praktisch Null. Wenn sich / dem Wert J₀ nähert, tritt über das Spinsystem eine Kopplung zwischen den Spulen 1 und 3 auf, wobei die Spins einen Teil der durch die Spule 1 ausgegebenen Energie wieder an die Spule 3 zurückgeben. Anders ausgedrückt, in der Nähe der Frequenz J₀ spielt das Spinsystem zwischen dem durch die Spulel gebildeten Sender einer elektromagnetischen Strahi_ung und dem durch die Spule 3 gebildeten Empfän_ger der elektromagnetischen Strahlung etwa die gleiche Rolle wie eine undurchsichtige Substanz in der Nähe eines Durchsichtigkeitsbandes (in welchem der kom-Far from J ₀ is the inductive coupling between the coils. 1 and 3 zero, and α is practically zero. When / approaches the value J ₀ , a coupling occurs between the coils 1 and 3 via the spin system, the spins returning part of the energy output by the coil 1 to the coil 3. In other words, in the vicinity of the frequency J _{0 is} the spin system between the space formed by the Spulel station plays an electromagnetic Strahi _un g and receptions and seminars formed by the coil 3 r _ge of the electromagnetic radiation is about the same role as an opaque substance in the vicinity of a Transparency band (in which the com-

pfexe Index und die komplexe Dielektrizitätskonstante auf ihren reellen Teil beschränkt sind) gegenüber einer »leuchtenden« Strahlung.pfexe index and the complex dielectric constant are limited to their real part) compared to a "luminous" radiation.

Man erhält so (F i g. 1) ein elektrisches Filter mit einer sehr schmalen Bandbreite (Breite d/) und einem sehr hohen Gütekoeffizienten (Q gemessen = 6250). Wenn f — J₀, ist U₁ in Phase mit U₀,. da die die Spulen 1 und 3 koppelnde magnetische Suszeptibilitat eine reelle Zahl ist. Wenn sich dagegen / von J₀ entfernt, tritt eine gewisse Streuung auf, da 'die magnetische Suszeptibilität komplex wird, was eine Phasenverschiebung zwischen U₁ und CZ₀ zur Folge hat, wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf Fi g. 5 genauer erläutert ist.An electrical filter with a very narrow bandwidth (width d /) and a very high quality coefficient (Q measured = 6250) is thus obtained (FIG. 1). When f - J ₀ , U _{1 is} in phase with U _0,. since the magnetic susceptibility coupling coils 1 and 3 is a real number. If, on the other hand, / moves away from J ₀ , a certain scatter occurs because the magnetic susceptibility becomes complex, which results in a phase shift between U ₁ and CZ ₀ , as will be described further below with reference to FIG. 5 is explained in more detail.

Das Filter der F i g. 1 mit einer sehr schmalen Bandbreite kann in einer Rückkopplungsschleife wie ein üblicher Schwingkreis benutzt werden. Es genügt, an die Eingangsklemmen A, B einen Teil der an den Ausgangsklemmen C-D verfügbaren Spannung nach Verstärkung ohne Phasenverzerrung zurückzuführen, um einen (Spinoszillator genannten) Oszillator zu erhalten, welcher eine Spannung mit einer Frequenz liefert, welche zu der Stärke des Magnetfeldes proportional ist, in welchem sich die Spins befinden.The filter of FIG. 1 with a very narrow bandwidth can be used in a feedback loop like a conventional resonant circuit. It is sufficient to feed back to the input terminals A, B part of the voltage available at the output terminals CD after amplification without phase distortion in order to obtain an oscillator (called a spin oscillator) which supplies a voltage with a frequency which is proportional to the strength of the magnetic field in which the spins are located.

In F i g. 3 ist ein derartiger Spinoszillator dargestellt, welcher eine bekannte, z. B. in der französischen Patentschrift 1 35Γ587 vom 28. Dezember 1962 beschriebene Bauart aufweist.In Fig. 3 such a spin oscillator is shown, which is a known, z. B. in the French Patent 1 35Γ587 of December 28, 1962 has the type described.

In F i g. 3 findet man bei T₀ das Filter T₂ der F i g. 1 wieder (die entsprechenden Teile der beiden Figuren tragen in F i g. 3 die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1, zu welchen jedoch in F i g. 3 der Buchstabe α hinzutritt), mit Ausnahme der folgenden Abänderung: zur Sicherstellung einer besseren elektrischen Entkopplung zwischen der Eingangsspule und der Ausgangsspule bei Fehlen einer Kopplung durch die Spins ist die Eingangsspule in zwei Abschnitte la und 16 unterteilt, wobei der Mittelpunkt B₁ Körperschluß hat, und die Anordnung Ia-Ib wird über ein Ausgleichspotentiometer 26, Ic gespeist.In Fig. 3 the filter T ₂ of FIG. 3 is found at T _0. 1 again (the corresponding parts of the two figures in FIG. 3 have the same reference numerals as in FIG. 1, to which, however, the letter α is added in FIG. 3), with the exception of the following modification: to ensure a better electrical decoupling between the input coil and the output coil in the absence of a coupling by the spins, the input coil is divided into two sections la and 16, the center point B ₁ body contact, and the arrangement Ia-Ib is fed via a compensating potentiometer 26, Ic.

Bei 11 α ist der ohne Phasenverzerrung arbeitende Verstärker dargestellt, dessen Eingang mit dem Ausgang £, F des Filters T₀ und dessen Ausgang mit den Ausgangsklemmen E₁, F₁ des Oszillators verbunden ist. Ein Teil der Ausgangsgröße des Verstärkers 11a wird durch den Leiter 12 wieder an den Eingang A₁ des Filters T₀ zurückgeführt, dessen anderer Eingang B₁ wie bereits ausgeführt ebenso wie die Ausgänge F und F₁ Körperschluß hat.At 11 α the amplifier operating without phase distortion is shown, the input of which is connected to the output E , F of the filter T ₀ and the output of which is connected to the output terminals _{E 1} , F _{1 of} the oscillator. Part of the output variable of the amplifier 11a is fed back through the conductor 12 to the input A _{1 of} the filter T ₀ , the other input B _{1 of which,} as has already been stated, as well as the outputs F and F _{1 has} body contact.

Wenn g der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11 a und ζ die Überführungsimpedanz des Filters T₀ genannt wird, genügt es, daß gilt: gz—>1, damit der Oszillator der F i g. 3 eine sinusförmige elektromotorische Kraft U₂ liefert, welche von dem Gütefaktor des Schwingkreises 5a unabhängig ist, so daß also der Gütekoeffizient durch den Widerstand 6a auf etwa 6 heruntergesetzt werden kann, wodurch eine sehr geringe Frequenzmitnahme in einem Bereich der magnetischen Feldstärke in der Größenordnung von 1000 Gamma oder 0,1 Oersted erreicht wird.If the gain g of the amplifier 11 a and ζ, the transfer impedance of the filter is called T _0, it is sufficient that: gz> 1, so that the oscillator of the F i g. 3 supplies a sinusoidal electromotive force U ₂ , which is independent of the quality factor of the resonant circuit 5a, so that the quality coefficient can be reduced to about 6 by the resistor 6a, whereby a very low frequency drift in a range of the magnetic field strength in the order of magnitude of 1000 gamma or 0.1 oersted is reached.

Der Verstärker 11a wird durch die Wirkung der magnetischen Resonanz der Spins (insbesondere der Protonen) der Flüssigkeit 8a gesteuert (welche gleich der Flüssigkeit 8 ist, falls das Filter T₂ und der Oszillator T₁ in dem gleichen Gradientenmesser der F i g. 4 benutzt werden), da die den Durchgang durch das Filter (Ausgangsspannung in Funktion der Eingangsspannung) darstellende Kurve nicht durch eine lineare Gleichung, sondern durch eine Van de Polsche Gleichung dargestellt wird.The amplifier 11a is controlled by the action of the magnetic resonance of the spins (in particular the protons) of the liquid 8a (which is equal to the liquid 8 if the filter T ₂ and the oscillator T _{1 are used} in the same gradient meter of FIG. 4 because the curve representing the passage through the filter (output voltage as a function of input voltage) is not represented by a linear equation, but by a Van de Pol equation.

In F i g. 4 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Gradientenmesser dargestellt. Er enthält einen ersten Magnetometerkopf T₁, welcher in Wirklichkeit bei der bevorzugten Ausführungsform durch einen Oszillator der in F i g. 3 dargestellten Art (mit einem Filter T₀) gebildet wird und bei E₁, F₁ eine erste praktisch sinusförmige elektromotorische Kraft U₂ liefert, deren Frequenz zu der Stärke H₁ des Magnetfeldes in der ersten Zone, in welcher sich der Kopf T₁ befindet, proportional ist.In Fig. 4, a gradient meter according to the invention is shown schematically. It contains a first magnetometer head T ₁ which, in the preferred embodiment, is actually operated by an oscillator of the type shown in FIG. 3 (with a filter T ₀ ) is formed and at E ₁ , F ₁ a first practically sinusoidal electromotive force U ₂ delivers, the frequency of which corresponds to the strength H _{1 of} the magnetic field in the first zone in which the head T ₁ is proportional.

Ein zweiter Magnetometerkopf T₂ bildet ein Kernfilter (in Wirklichkeit bei dieser Ausführung das Filter der F i g. 1), welches bei C, D bei Ansprechen auf ein sinusförmiges Eingangssignal U₀ veränderlicher Frequenz eine zweite elektromotorische Ausgangskraft t/₃ überträgt, deren Amplitude α sich in Funktion der Frequenz des Eingangssignals gemäß einer Resonanzkurve oder Lorentz-Kurve (nämlich der in F i g.2 dargestellten) ändert, welche auf seine Resonanzfrequenz zentriert ist, wobei diese Resonanzfrequenz wie oben erläutert zu der Stärke H₂ des Magnetfeldes in der zweiten Zone proportional ist, in welcher sich der zweite Kopf T₂ befindet.A second magnetometer head T ₂ forms a core filter (in reality the filter in FIG. 1), which at C, D, when responding to a sinusoidal input signal U _{0 of} variable frequency, transmits a second electromotive output force t / ₃ , the amplitude of which α changes as a function of the frequency of the input signal according to a resonance curve or Lorentz curve (namely that shown in FIG. 2), which is centered on its resonance frequency, this resonance frequency, as explained above, to the strength H _{2 of} the magnetic field in the is proportional to the second zone in which the second head T ₂ is located.

Einrichtungen, z. B. elektrische Leiter 12a, führen einen Teil der ersten von dem ersten Kopf T₁ gelieferten elektromotorischen Kraft U₂ an den Eingang A, B des zweiten Kopfs T₂ zurück, wodurch das Eingangssignal (Z₀ entsteht.Facilities, e.g. B. electrical conductors 12a, lead back part of the first electromotive force U ₂ supplied by the first head T ₁ to the input A, B of the second head T ₂ , whereby the input signal (Z ₀ is produced.

Schließlich sind Einrichtungen Vorgesehen, welcheFinally, facilities are provided which

die Phasendifferenz ρ zwischen der ersten und der zweiten elektromotorischen Kraft bestimmen, welche zu dem Gradienten des Magnetfeldes zwischen der ersten und zweiten Zone proportional ist.determine the phase difference ρ between the first and the second electromotive force, which is proportional to the gradient of the magnetic field between the first and second zones.

Ferner wird zweckmäßig außerdem ein Verstärker 11 derart vorgesehen, daß die (verstärkte) AusgangsgrößeFurthermore, an amplifier 11 is expediently also provided in such a way that the (amplified) output variable

ίο IZ₃ des Kopfs T₂ und die Ausgangsgröße U₂ (nach Entnahme durch den Leiter 12a) des Kopfs T₁ praktisch die gleiche Amplitude haben. Die Messung der Phasendifferenz ρ zwischen U₂ und U₃ erfolgt in einer Vorrichtung 13, welche einen Empfindlichkeitsumschalter 14 speist, dessen Ausgang mit einem Registriergerät 15, z. B. einem Registriergalvanometer, verbunden ist.ίο IZ _{3 of} the head T ₂ and the output variable U ₂ (after removal through the conductor 12a) of the head T _{1 have} practically the same amplitude. The phase difference ρ between U ₂ and U ₃ is measured in a device 13 which feeds a sensitivity switch 14, the output of which is connected to a recording device 15, e.g. B. a registration galvanometer connected.

In Fig. 5 ist die Phasenänderung ρ in Funktion der Frequenz / des in den Kopf oder das Filter T₂ eintretenden Signals U₀ zusammen mit der Resonanzkurve, welche die Amplitude α des Ausgangssignals U₁ ebenfalls in Funktion von /angibt, dargestellt. Wenn / den Wert Z₁ (Frequenz in dem Feld H₁) erreicht und dieser gleich /₀ (Resonanzfrequenz des Spinsystems in dem Magnetfeld mit der Stärke H₂, von der angenommen ist, daß sie gleich H₀ ist) ist, hat die Amplitude α den Höchstwert (den Wert m), und die Phasenverschiebung ρ zwjschen der Eingangsgröße U₀ und der Ausgangsgröße U₁ und somit zwischen U₂ und U₃ ist Null. Infolgedessen ist die Phasenverschiebung zwischen U₂ und U₃ Null, wenn das Magnetfeld in der ersten und in der zweiten Zone genau die gleiche Stärke hat, d. h., wenn H₁ gleich H₂ ist. Der Apparat 15 registriert dann Null. Sobald ein Feldgradient zwischen der ersten und der zweiten Zone auftritt, d. h. sobald H₂ von H₁ verschieden ist, erscheint eine Phasendifferenz ρ zwischen U₀. und U₁ und somit zwischen U₂ und U₃, wobei die Änderung dieser Phasendifferenz eben durch die untere Kurve der F i g. 5 dargestelltIn Fig. 5 the phase change ρ is shown as a function of the frequency / of the signal U ₀ entering the head or the filter T ₂ together with the resonance curve which indicates the amplitude α of the output signal U ₁ also as a function of /. When / reaches the value Z ₁ (frequency in the field H ₁ ) and this is equal to / ₀ (resonance frequency of the spin system in the magnetic field with strength H ₂ , which is assumed to be equal to H ₀ ), the amplitude has α the maximum value (the value m), and the phase shift ρ between the input variable U ₀ and the output variable U ₁ and thus between U ₂ and U ₃ is zero. As a result, the phase shift between U ₂ and U _{3 is} zero if the magnetic field in the first and in the second zone has exactly the same strength, that is, if H _{1 is} equal to H ₂ . The apparatus 15 then registers zero. As soon as a field gradient occurs between the first and the second zone, ie as soon as H ₂ is different from H ₁ , a phase difference ρ appears between U ₀ . and U ₁ and thus between U ₂ and U ₃ , the change in this phase difference being indicated by the lower curve of FIG. 5 shown

wird, aus welcher hervorgeht, daß für eine Änderung von /um d/die Phase/? sich zwischen — pm und -\-pm ändert. Bei der im einzelnen beschriebenen Ausführungsform beträgt die Phasenänderung π/2 für eine Änderung von 15 Gamma (Iy = 10~⁵ Oersted) von der /₀ entsprechenden mittleren Stärke des Magnetfeldes aus, was eine sehr bedeutende Empfindlichkeit des Apparats ergibt.becomes, from which it follows that for a change of / by d / the phase /? changes between - pm and - \ - pm . In the described embodiment in detail, the phase change is π / 2 for a change of 15 Gamma (Iy = 10 ~ ⁵ oersted) of the / ₀ corresponding mean strength of the magnetic field of which results in a very significant sensitivity of the apparatus.

In F i g. 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz ρ zwischen U₂ und U₃ dargestellt.In Fig. 6 shows a preferred embodiment of the devices for determining the phase difference ρ between U ₂ and U ₃ .

Eines der Signale U₂ oder U₃ wird zunächst um 180° phasenverschoben, so daß zwei Signale Ja, Jb entstehen, welche um 180° gegeneinander phasenverschoben sind, wenn die Phasenverschiebung ρ zwischen U₂ und U₃ Null ist. Die Einrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz enthalten dann außerdem ein Paar von Einrichtungen 16 a, 16 b, zweckmäßigerweise Schmittsche Kippschaltungen, welche die beiden elektromotorischen Kräfte Ja und Jb auf Rechteckform Ka, Kb bringen.One of the signals U ₂ or U ₃ is first phase shifted by 180 °, so that two signals Ja, Jb arise which are phase shifted by 180 ° from one another when the phase shift ρ between U ₂ and U _{3 is} zero. The devices for determining the phase difference then also contain a pair of devices 16 a, 16 b, expediently Schmitt flip-flops, which bring the two electromotive forces Ja and Jb into a rectangular shape Ka, Kb.

Ein Paar von Einrichtungen zur Differentiierung der so auf Rechteckform gebrachten elektromotorischen Kräfte Ka, Kb wird je z. B. durch einen Reihenkondensator 17a, YIb und einen Ableitungswiderständ 18a, 186 gebildet.A pair of devices for differentiating the electromotive forces Ka, Kb brought to a rectangular shape are each z. B. formed by a series capacitor 17a, YIb and a discharge resistor 18a, 186.

Ein Paar von Einrichtungen behält in den beiden so durch Differentiieren erhaltenen Impulsfolgen nur die Impulse La, Lb mit einer bestimmten Polarität bei,In the two pulse trains thus obtained by differentiation, a pair of devices keeps only the pulses La, Lb with a certain polarity,

i 623i 623

welche für die beiden Folgen die gleiche ist, z. B. die positive Polarität (wie dargestellt), wobei diese Einrichtungen zweckmäßig durch zwei Dioden 19a, 20a für das eine Paar und 196, 20b für das andere'Paar gebildet werden.-which is the same for the two episodes, e.g. B. the positive polarity (as shown), these devices being expediently formed by two diodes 19a, 20a for one pair and 196, 20b for the other pair.

Eine bistabile Kippschaltung 21 empfängt die Impulse La, Lb und kippt aus einem stabilen Zustand in den anderen bei Empfang eines jeden Impulses La oder Lb, wobei sie eine Spannung M mit abwechselnd positiven und negativen Rechteckstufen liefert.A bistable multivibrator 21 receives the pulses La, Lb and toggles from one stable state to the other upon receipt of each pulse La or Lb, supplying a voltage M with alternating positive and negative square-wave steps.

Ein Integrator 22 integriert die AusgangsspannungM der Kippschaltung.An integrator 22 integrates the output voltage M of the multivibrator.

Einrichtungen 15 messen die Ausgangsspannung des Integrators 22, weiche zu der zu bestimmenden Phasendifferenz proportional ist.Devices 15 measure the output voltage of the integrator 22, soft to the one to be determined Phase difference is proportional.

Wenn nämlich die Phasendifferenz ρ zwischen den elektromotorischen Kräften U₂ und U₃ Null ist, beträgt die Phasendifferenz zwischen den elektromotorischen Kräften Ja und Jb 180°. Dies ist der für die verschiedenen Signale der F i g. 6 dargestellte Fall. Die Signale Ka und Kb sind dann ebenfalls um 180" phasenverschoben, und die Impulse Lb legen sich zwischen die Impulse La, wobei die vorderen Flanken der Impulse Lb gerade in der Mitte des Zwischenraums zwischen zwei vorderen Flanken von Impulsen La auftreten. Die bistabile Kippschaltung bleibt während der gleichen Zeitdauer in jedem Zustand, und das Signal M besitzt einander gleiche positive und negative Halbwellen. Sobald eine Phasenverschiebung /; zwischen U₂ und U₃ auftritt, sind die Signale Ja und Jb nicht mehr genau um 180° phasenverschoben, und die vorderen Flanken der Impulse Lb verschieben sich je nach dem Zeichen von/? in Richtung auf den vorhergehenden oder den nächsten Impuls La. Die Kippschaltung 21 bleibt dann länger in einem der Zustände als in dem anderen, so daß das Signal M Halbwellen einer Polarität aufweist, welche langer als die Halbwellen der anderen Polarität sind. Der Integrator 22 gibt den Mittelwert des Signals M wieder, welcher Null ist, wenn ρ = 0, dessen Absolutwert jedoch mit ρ zunimmt, wenn dieser von Null verschieden ist, wobei das Vorzeichen dieses mittleren Signals von dem Vorzeichen von ρ abhängt.Namely, when the phase difference ρ between the electromotive forces U ₂ and U _{3 is} zero, the phase difference between the electromotive forces Ja and Jb is 180 °. This is that for the various signals in FIG. 6 case. The signals Ka and Kb are then also 180 "out of phase, and the pulses Lb are placed between the pulses La, the leading edges of the pulses Lb occurring just in the middle of the gap between two leading edges of the pulses La . The bistable multivibrator remains during the same period of time in each state, and the signal M has mutually identical positive and negative half-waves. As soon as a phase shift /; occurs between U ₂ and U ₃ , the signals Ja and Jb are no longer exactly 180 ° out of phase, and the front Edges of the pulses Lb shift depending on the character of /? In the direction of the previous or the next pulse La. The flip-flop 21 then remains longer in one of the states than in the other, so that the signal M has half-waves of one polarity are longer than the half-waves of the other polarity. The integrator 22 reproduces the mean value of the signal M , which is zero when ρ = 0, its However, the absolute value increases with ρ if it is different from zero, the sign of this mean signal depending on the sign of ρ.

Bei der dargestellten Ausführungsform geht die von dem Integrator 22 gelieferte Spannung von 0 auf 10 V für eine \on 0 bis πβ wachsende Phasenverschiebung/?, d. h. für einen von 0 auf 15 γ zunehmenden Gradienten zwischen der ersten und zweiten Zone. Da das elektronische Grundgeräusch nicht den Wert eines Millivolts übersteigt, kann mit diesem Apparat ein Gradient von 1,5 ·10"³;- festgestellt werden, was für die im ■ allgemeinen vorzunehmenden Messungen eine viel zu grof?e Empfindlichkeit darstellt. Es kann daher zwischen dem Integrator 22 und dem Registriergerät 15 ein Abschwächer 14 eingeführt werden, welcher die „ Empfindlichkeit auf einen Höchstwert von 0,01 γ begrenzt. Die Ausgangsspannung des Abschwächers 14 kann registriert oder auf einem üblichen Galvanometer 15 abgelesen werden, wobei der Abschwächer z. B. drei verschiedene Empfindlichkeiten hat, nämlich • 1 γ b/w. 2 γ bzw. 5 γ für die ganze Skala.In the illustrated embodiment, the voltage supplied from the integrator 22 goes from 0 to 10 V for a \ on 0 to πβ growing phase shift / ?, that is, for a γ of 0 to 15 increasing gradient between the first and second zone. Since the basic electronic noise does not exceed the value of a millivolt, a gradient of 1.5 · 10 "³; An attenuator 14 can be introduced between the integrator 22 and the recording device 15, which limits the sensitivity to a maximum value of 0.01 γ has three different sensitivities, namely • 1 γ b / w. 2 γ or 5 γ for the whole scale.

Es können Einrichtungen vorgesehen werden, um den Abstand zwischen den Köpfen T₁ und T₂ gemäß der Verwendung oder dem Zustand des Geländes vu verändern. So können z. B. die Köpfe T₁ _6s und T., in einem rohrförmigen Halter aus Kunststoff eingeschlossen werden, in welchem sie in der Längsrichtung verschoben und in ihrer Stellung befestigt werden können, wobei der übliche Abstand zwischen den beiden Köpfen z. B. 80 cm beträgt.Means may be provided to vary the distance between the heads T ₁ and T ₂ according to the use or the condition of the terrain vu . So z. B. the heads T ₁ _6s and T. enclosed in a tubular holder made of plastic, in which they can be moved in the longitudinal direction and fixed in position, with the usual distance between the two heads z. B. 80 cm.

Mit einem derartigen Apparat können Änderungen in der Größenordnung von 0,01 γ, d. h. 0,1 Mikrooersted, beobachtet und bestimmt werden, wobei die Änderungen der magnetischen Feldstärke registriert werden und den allgemeinen Verlauf der Störungen liefern können, z. B. zur Bodenerforschung unter Bestimmung der Anomalien des Magnetfeldes.With such an apparatus, changes in the order of magnitude of 0.01 γ, ie 0.1 microosted, can be observed and determined, the changes in the magnetic field strength being registered and being able to supply the general course of the disturbances, e.g. B. for soil exploration by determining the anomalies of the magnetic field.

Es ist zu bemerken, daß an dem Apparat der F i g. 4 ein einfach an E₁, F₁ angeschlossener Ausgang vorgesehen werden kann, welcher in einem Frequenzmesser die Stärke H₁ des Magnetfeldes angibt.It should be noted that the apparatus of FIG. 4 an output can be provided which is simply connected to E ₁ , F ₁ and which indicates the strength H _{1 of} the magnetic field in a frequency meter.

Ein vollständiger transistorierter Gradientenmesser gemäß der unter Bezugnahme auf Fig. 1, 3, 4 und 6 beschriebenen Ausführungsform verbraucht 0,4 Ά unter 28 V, d. h. etwa 12 W, wobei ein einziger Oszillator die beiden Oszillatoren 9 und 9a zur Speisung der Spulen 10 bzw. 10a der Köpfe T₂ bzw. T₁ ersetzt.A complete transistorized gradient meter according to the embodiment described with reference to FIGS. 1, 3, 4 and 6 consumes 0.4 below 28 V, ie about 12 W, with a single oscillator, the two oscillators 9 and 9a for supplying the coils 10 and 10, respectively 10a of the heads T ₂ and T _{1 are} replaced.

Claims

Patent claims:

1. Magnetic gradient meter for measuring the difference between the magnetic field strengths in a first and in a second zone, characterized by a first magnetometer head (T ₁ ) located in the first zone, which has a first practically sinusoidal electromotive force U ₂ with a strength of the magnetic field supplies proportional frequency in this first zone, a second magnetometer head (T ₂ ) located in the second zone, which responds like a bandpass filter with a very narrow bandwidth to a sinusoidal input signal U _{0 of} variable frequency and supplies a second electromotive force U ₃ , the amplitude of which changes as a function of the frequency of the input signal according to a resonance curve (Lorentz curve) which is centered on its resonance frequency proportional to the strength of the magnetic field in the second zone, means for returning a portion of the electromotive force U supplied by the first head (Γι) ₂ to input d the second head (T ₂ ), which represents the input signal U ₀ for the second head (T ₂ ) , and means for determining the phase difference ρ between the electromotive forces U ₂ and U ₃ .

2. Magnetic gradient meter according to claim 1, characterized in that the first magnetometer head (T ₁ ) is designed as a spin oscillator with subatomic particles (atomic nuclei, electrons) and an electromotive force U ₂ with the Larmor frequency of the spins in the magnetic field in this first zone, in which the spins are located, delivers.

3. Magnetic gradient meter according to claim 1 or 2, characterized in that the second magentometer head (T ₂ ) has an input coil (1), in series with a resistor (2) which is considerably higher in impedance, an output coil (3) with a parallel connected Capacitor (5), which forms a resonance circuit with the output coil (3) and oscillates at a frequency close to the resonance frequency, and has a spin system (8) with subatomic particles, dis the output coil with the input pulse at the Larmor frequency (which is equal to the Resonance-·

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frequency is) of the spin system in the magnetic field couples to the second zone.

4. Magnetic gradient meter after a

of claims 1 to 3, characterized in that

the phase difference measuring means ρ include: a pair of means for making the two electromotive forces normally 180 ° out of phase with each other in a rectangular shape;

a pair of means for differentiating the two electromotive forces thus made rectangular;
a pair of devices, which in the two impulses thus obtained by differentiation

follow only those impulses that have a certain polarity that are common to the two Follow is the same;

a bistable multivibrator that keeps the pulses of a certain polarity receives and from a stable state when receiving each pulse in the another flips;

an integrator for integrating the voltage levels emerging from the multivibrator, and

Devices for measuring the output voltage of the integrator, which are to be determined Phase difference is proportional.

1 sheet of drawings